Co roku do miejscowości Norman pod Oklahoma City (USA) zjeżdża się ponad setka badaczy pracujących nad nowymi metodami szybkiego rozpoznawania groźnych zjawisk pogodowych i jeszcze szybszego ostrzegania przed nimi. Znajduje się tu poligon badawczy amerykańskiej Narodowej Agencji Oceanów i Atmosfery, na którym testuje się nowe instrumenty obserwacyjne i programy komputerowe. Wśród pierwszych przebojem jest radar skanowania fazowego, wśród drugich - model komputerowy symulujący zachowanie groźnej chmury burzowej w ciągu następnej godziny.
Kwadrans to za mało
Dzięki obu technologiom możliwe będzie znacznie wcześniejsze wysyłanie komunikatów ostrzegawczych do miejsc zagrożonych atakiem żywiołów przybywających wraz z największymi chmurami burzowymi zwanymi przez meteorologów superkomórkami. Mieszkańcy miasteczka lub dzielnicy dużego miasta zostaną ostrzeżeni z wyprzedzeniem nawet trzech kwadransów, że znajdą się na drodze niszczycielskiej nawałnicy, trąby powietrznej lub równie groźnego gradobicia czy tornada. Zarówno pojedyncze osoby, jak i publiczne placówki (szpitale, szkoły, przedszkola) zyskają cenny czas na znalezienie schronienia i ewakuację. Prognoza przygotowana na podstawie tego, co powie model komputerowy, trafi też do służb ratowniczych. Znając wcześniej trasę wędrówki żywiołu, będą mogły szybciej reagować.
Idea jest niezwykle ambitna. Optymistycznie zakłada bowiem, że da się z dużą precyzją i ze znacznym wyprzedzeniem przewidywać zachowania takich superkomórek. Pomysł nazwano Warn-on-Forecast, co mniej więcej oznacza, że w nowym systemie ostrzeżenie będzie wydawane na podstawie najbardziej prawdopodobnego scenariusza zachowania żywiołu uzyskanego dzięki symulacjom komputerowym. Dziś nie da się tego zrobić. Przy obecnym stanie wiedzy meteorolodzy nie potrafią powiedzieć, czy dana chmura burzowa urodzi trąbę powietrzną, czy też nie. Tym bardziej nie są w stanie przewidzieć siły, trasy, momentu powstania i długości życia takiej niszczycielskiej wirówki.
Aktualnie ostrzeżenia o nadejściu tornada nadawane są w USA z wyprzedzeniem średnio 15 minut. To za mało, aby przygotować szpitale, szkoły czy na przykład ewakuować stadion. Na dodatek ponad połowa ogłaszanych alarmów jest fałszywa. Dlatego wielu ludzi ucieka dopiero wtedy, gdy zobaczy tornado. Jeśli jednak będzie silne i skieruje się prosto na nich, nie zdążą się schować. Najgorzej jest, kiedy żywioł uderza na terenach o gęstym zaludnieniu. Zbiera wówczas straszliwe żniwo.
Tak było dwukrotnie w tym roku. Pod koniec kwietnia w ciągu czterech dni pojawiło się nad Stanami ponad 300 tornad. Jednego dnia w Tuscaloosa i innych miastach Alabamy zabiły ponad 200 osób. Miesiąc później potężne tornado uderzyło w Joplin w stanie Missouri, pozbawiając życia aż 159 osób i powodując olbrzymie straty materialne.
Eksperci zwracają uwagę, że na południu i w centrum USA wciąż przybywa gęsto zamieszkanych rejonów. Prawdopodobieństwo, że nad którymś z nich pojawi się tornado, rośnie. A miasto potrzebuje na przygotowania więcej niż kwadrans. To jeszcze jeden z powodów, które sprawiły, że podjęto decyzję o przygotowaniu nowego systemu ostrzegawczego mającego informować o nadejściu tornada, zanim ono powstanie. Ma zostać wprowadzony w ciągu dwóch dekad.
Radar-cyklop idzie do cywila
Temu celowi służą wiosenne ćwiczenia w Norman, gdzie naukowcy wspólnie testują to, nad czym osobno biedzą się przez resztę roku. Treningi wchodzące w skład projektu "Experimental Warning Program" trwają pięć tygodni - zaczynają się w pierwszej połowie maja i kończą w drugiej połowie czerwca. W tym roku testowano między innymi jeden z elementów przyszłego systemu Warn-on-Forecast. To program, który na podstawie informacji przesyłanych przez sieć radarów lokalizuje co pięć minut z dokładnością do kilometra wszystkie źle rokujące chmury burzowe. Za parę lat będzie pomagał meteorologom w identyfikowaniu i śledzeniu superkomórek. Ułożyli go informatycy i fizycy atmosfery z National Severe Storms Laboratory - ośrodka zajmującego się badaniami groźnych zjawisk pogodowych.
Docelowo superkomórki mają być namierzane przy pomocy innej zabawki, jaką dostali do ręki amerykańscy naukowcy. Mowa o wielofunkcyjnym radarze ze skanowaniem fazowym, w skrócie zwanym MPAR (ang. Multifunction Phased Array Radar). To za jego sprawą ma się dokonać za oceanem rewolucja w prowadzeniu obserwacji pogody. Radary takie wykorzystywane są od ponad trzech dekad przez wojsko. Od tradycyjnych różnią się tym, że nie mają obracającej się anteny emitującej jeden sygnał radiowy, lecz składają się z wielu zainstalowanych na stałe elementów, z których każdy niezależnie emituje i odbiera falę elektromagnetyczną. Dzięki temu taki radar, wpatrzony w cztery strony świata, może w tym samym czasie śledzić non stop dziesiątki, a nawet - w przypadku najnowszych urządzeń - setki obiektów.
10 lat temu amerykańska marynarka wojenna zgodziła się wypożyczyć meteorologom radar z serii SPY-1, który instalowany jest na okrętach rakietowych. Wojskowi udostępnili jedną z pierwszych wersji potrafiącą śledzić równocześnie sto celów. Kosztem 10 milionów dolarów zbudowano w Norton centrum obsługi urządzenia. Naukowcy uczą się interpretowania przesyłanych przez MPAR obrazów. Jego wielką zaletą jest to, że wystarczy mu mniej niż minuta, aby zebrać informacje o tym, co zachodzi wokół niego w pogodzie. Poza tym może skupiać wiązki fal na konkretnych obiektach, na przykład na dopiero się pojawiającej chmurze burzowej. Nowe obrazy zjawiska są wtedy dostarczane co 20-30 sekund. A jeśli w zasięgu takiego radaru pojawi się kolejna podejrzana chmura, ją także weźmie na cel, by śledzić równolegle z identyczną dokładnością.
Takich sztuczek nie potrafią wykonać tradycyjne radary dopplerowskie, nawet te najnowszej generacji, które są właśnie instalowane. Dzięki podwójnej polaryzacji generowanych fal widzą one chmurę w trzech wymiarach i wyszczególniają różne rodzaje opadu. Choć jest to sprzęt bardzo zaawansowany technologicznie, na miarę XXI wieku, nie spełnia założeń nowego systemu ostrzegawczego. Nadal bowiem przesyła obrazy co kilka minut. Brakuje mu też elastyczności. Nie potrafi, tak jak MPAR, skoncentrować się na jednej chmurze i wielokrotne zaglądać do jej wnętrza.
Kiedy żywioł przestanie nas zaskakiwać?
Nowe urządzenie ma dostarczyć danych obserwacyjnych, którymi nakarmione zostaną modele symulujące zachowania wielkich chmur burzowych. Następnie radar będzie co kilka minut weryfikował wiarygodność takiej prognozy, sprawdzając, czy chmury zachowują się zgodnie z przewidywaniami modelu. Dokładnie rzecz biorąc, takich prognoz będzie powstawało kilka równocześnie, jako że nie sposób wskazać jednej, najbardziej prawdopodobnej. Ten sposób postępowania, zwany po angielsku ensemble forecast, zyskuje na popularności, lecz stosuje się go do prognoz wielodniowych. Jak dotąd nikt nie próbował wykorzystać go do opracowywania szczegółowych prognoz zachowania chmur burzowych w ciągu kolejnej godziny.
W ośrodku w Norton i w kilku innych placówkach naukowych prace nad takimi godzinowymi prognozami dopiero ruszają. Od ich powodzenia zależy, czy Amerykanie w ciągu dwóch dekad zrealizują swój śmiały plan. Polega on na zastąpieniu radarami MPAR wszystkich pracujących obecnie radarów meteorologicznych - których jest około 150 - a także tych, które obsługują cywilną komunikację lotniczą na terytorium USA (jest ich około 350). Na razie trwa "oswajanie" nowego sprzętu.
Tempo badań zależy w pewnym stopniu od samej natury. W ciągu ostatnich dwóch lat nad Oklahomą przeszło niewiele tornad, więc naukowcy mieli mało okazji do sprawdzenia możliwości radaru. Ten rok wynagrodził im to z nawiązką. Okazał się wyjątkowo obfity w tornada. Pewnego majowego popołudnia potężny front atmosferyczny ze stadem superkomórek nadciągnął nad środkową część stanu, gdzie leży Norman. W ciągu czterech godzin w pobliżu pojawiło się pięć tornad.
Najsilniejsze z nich miało trzeci stopień w obowiązującej od kilku lat zmodyfikowanej skali Fujity. Prędkość wiatru przekraczała 250 kilometrów na godzinę. Właśnie ono zostało wybrane na obiekt treningowych obserwacji. MPAR co 40 sekund pokazywał każdy skręt, przyspieszenie i zwolnienie żywiołu, który zanim zniknął, pokonał ponad sto kilometrów. Po raz pierwszy odważono się na sporządzenie próbnych prognoz trasy i intensywności tornada. Sukces był jednak umiarkowany - potężny wir wykonał bowiem dwa zwroty, które zaskoczyły naukowców. - Zważywszy na wczesną fazę testów, było nieźle. Ale widać, że przed nami mnóstwo pracy - wzdychała Pam Heinselman z Uniwersytetu Stanu Oklahoma, jedna z pionierek nowej metody obserwacyjnej.
Andrzej Hołdys jest dziennikarzem naukowym i popularyzatorem nauki. Publikuje m.in w "Wiedzy i Życiu", "Polityce", "Gazecie Wyborczej", "Wprost".
